南水北調(diào)中線工程總干渠穿越焦作礦區(qū)段變形監(jiān)測分析

呂存宣

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠在河南省境內(nèi)焦作段穿越煤礦采空區(qū)。雖然前期經(jīng)過了大量的技術經(jīng)濟論證工作，渠道基本避開了采空區(qū)，但仍有多處采空區(qū)距離渠道較近，地表沉陷影響邊界的3處采空區(qū)，仍有可能對總干渠安全產(chǎn)生影響。在方案比選及初步設計階段，勘察設計單位在收集煤礦地質(zhì)資料的基礎上，根據(jù)國內(nèi)外類似經(jīng)驗及地表地面調(diào)查工作，對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了宏觀分析和定性評價，但沒有進行過相關數(shù)值模擬計算等定量分析工作，而煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性是工程的重大工程技術問題之一，其是否還對渠道工程產(chǎn)生影響是十分突出的技術問題，隨著工程的相繼開工建設及運營，需要對這些問題進行全面、深入的研究與分析。

通過建立專用變形監(jiān)測系統(tǒng)和地下水觀測設施，及時掌握和提供地基巖土體和支護結構變形信息和工作狀態(tài)，及時預報地基險情，以便采取措施。監(jiān)測采空區(qū)在施工前、施工期、運行初期的變形情況，聯(lián)合高校等科研機構，評價總干渠沿線下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性，判斷采空區(qū)對總干渠渠道及建筑物的影響并預測發(fā)展趨勢，為采空區(qū)段工程設計、施工、運行管理提供可靠的技術依據(jù)。

1 工程概況

焦作礦區(qū)段穿越總干渠段全長約25 km，基本沿鳳凰嶺斷裂以南及九里山斷裂延伸邊緣通過，基本避開了采空區(qū)。

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測范圍包括受采空區(qū)影響的渠段。以渠道場地、地裂縫兩盤及地下水位監(jiān)測為主。監(jiān)測內(nèi)容包括垂直位移監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、場地巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測和地下水位監(jiān)測，監(jiān)測點布設范圍充分結合地質(zhì)穩(wěn)定性條件、地裂縫的空間分布位置和采空區(qū)的影響邊界。

1.2 基本原則

采用GNSS對地表水平位移進行監(jiān)測（三等平面），利用精密數(shù)字水準儀進行垂直位移觀測（二等水準），同時深層埋設多點位移計和測斜儀對采空區(qū)現(xiàn)狀巖層位移進行監(jiān)測，觀測頻率為每月1次。

1.3 主要工作量

共布置水平位移監(jiān)測基準點、監(jiān)測點各6 座，垂直位移變形監(jiān)測基準點2處各3座，監(jiān)測點28座。渠段地基巖土體內(nèi)部多點位移計2個，測斜儀2個，分別在不同深度布置測斜儀傳感器13支。監(jiān)測時間為2010-2017年。

2 變形監(jiān)測

2.1 地表變形監(jiān)測

第一，布點原則：結合渠道布置和礦層走向、開采方法及上覆地層產(chǎn)狀，采用平行和垂直煤礦層走向成直線斷面布置，長度超過地表移動變形范圍。觀測點間距為100～200 m。

基準點埋設在穩(wěn)定的地方，監(jiān)測點埋設在敏感的地方。

巖體內(nèi)部監(jiān)測點結合地裂縫發(fā)育情況布置，多點位移計、測斜儀埋設在地裂縫上盤渠道左側紅線附近。

第二，監(jiān)測點埋設：平面位移點帶強制歸心裝置，為增加監(jiān)測點的穩(wěn)定性，在底盤下用洛陽鏟掏挖4個3 m長度穩(wěn)定樁。

第三，變形監(jiān)測：項目涉及2個沉陷區(qū)，平面基準點統(tǒng)籌布置，高程基準點分別在2處沉陷區(qū)各埋設3座。

基于減水河MIKE11建庫后對水環(huán)境的影響………………………………………盧 慧，董紅霞，軒曉博（6.20）

垂直位移觀測選用天寶Dini03 電子水準儀配合因瓦條碼水準標尺進行；水平位移監(jiān)測采用8臺徠卡GX 1230型雙頻靜態(tài)GNSS接收機同步觀測。

2.2 巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測

在變形監(jiān)測部位埋設多點位移計和測斜儀，并按照一定的頻率采集數(shù)據(jù)。使用基康儀器有限公司生產(chǎn)的BGK-A3 型多點位移計，測斜儀為BGK-6150垂直測斜儀。

2.3 地下水位監(jiān)測

按時采集地下水位數(shù)據(jù)。

3 變形分析

由于變形量本身較小，鄰近于測量誤差邊緣，為區(qū)分變形與誤差，提取變性特征，必須設法消除較大的超限誤差，從而盡可能地減少觀測誤差對變形分析的影響。

①外業(yè)數(shù)據(jù)檢核：對各觀測數(shù)據(jù)進行檢核。②內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢核：通過不同的方法驗算、不同人員的重復計算來消除原始資料中的粗差。③原始資料的邏輯分析：通過繪制過程線推測其一致性，或者通過對臨近點的變形監(jiān)測值推測其相關性。

3.1 基準網(wǎng)穩(wěn)定性分析

定期觀測，以確保其相對穩(wěn)定性，必要時，可以使用技術手段對其進行整體檢驗，挑出不穩(wěn)定的點。

3.2 垂直位移變形分析

一般用Excel表格統(tǒng)計，并繪制隨時間變化的位移曲線（分段為施工期和運行期），并進行分析。

3.3 水平位移變形分析

依觀測量位移之X、Y值，繪制水平位移曲線并進行分析。

3.4 巖土體內(nèi)部變形分析

依據(jù)巖土體內(nèi)部埋設的傳感器采集的位移量變化，繪制位移曲線并進行分析。

3.5 地下水位分析

繪制時間水位變化曲線，分析地下水位變化及年變幅。

4 外業(yè)巡視檢查

整個施工期間，每天均有專人巡視。

4.1 檢查內(nèi)容

①總干渠構筑物及周邊鄰近環(huán)境狀況：總干渠渠坡襯砌板、渠底板有無裂縫和隆起，背水坡有無沉陷；總干渠鄰近建筑物，特別是曾經(jīng)遭受采空區(qū)變形損壞的建筑物裂縫發(fā)展情況；鄰近道路及地表有無裂縫、沉陷；總干渠周圍地面堆載情況，有無較大規(guī)模的填土等。②施工工況及異常現(xiàn)象：注漿施工地面隆起、裂縫變形情況；場地雨季或汛期地表、基坑積水、建筑物基坑地下水排放情況；總干渠基坑開挖發(fā)現(xiàn)的土體裂縫、空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象；基坑開挖情況、填筑堤施工情況等。③監(jiān)測設施狀況：基準點、監(jiān)測點完好情況；有無影響觀測工作的障礙物；監(jiān)測元件的完好及保護情況等。

4.2 檢查方法

巡視檢查方法以目測為主，輔以攝影、釬探、量尺、放大鏡等工具，對建筑物裂縫等特殊對象采用簡易觀測法，設置固定鉚釘量測或石膏片觀測。每天的巡視記錄及時整理，并結合儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析。

4.3 檢查結論

第一，從2010 年以來，施工初期的地表附屬物清理、重載車輛、渠基回填碾壓施工等對監(jiān)測條件影響較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)局部異常變化反映了施工環(huán)境條件變化的影響。

第二，總干渠場地紅線范圍內(nèi)地質(zhì)巡視沒有發(fā)現(xiàn)地面、土體有沉陷變形現(xiàn)象，渠坡及襯砌板等亦未發(fā)現(xiàn)有裂縫、隆起、沉陷等變形跡象。

第三，原地裂縫經(jīng)過總干渠開挖絕大部分已挖除，僅在總干渠左岸場地有出露，經(jīng)工程處理后，在地面和總干渠渠坡相關部位未發(fā)現(xiàn)變形跡象。

5 監(jiān)測結論及建議

5.1 結論

一是水平位移監(jiān)測點，除部分點發(fā)生跳躍最后趨于穩(wěn)定外，其他點均未超過設計中誤差允許值，有些點因總干渠通水后出現(xiàn)向北正直移動現(xiàn)象，但趨勢向穩(wěn)，應注意加強后期觀測。平均而言，各平面監(jiān)測點無明顯變形。

二是距總干渠最遠的監(jiān)測點累計最大沉降63 mm，最近點沉降最大值20 mm。結合地表巡視，場地填土，新建的移民新村房屋沒有變形損壞的現(xiàn)象，亦驗證本渠段是穩(wěn)定的。

部分點在施工期受右岸渠堤道路重車及碾壓影響，微有隆起，目前已經(jīng)穩(wěn)定。其余監(jiān)測點變形量較小，沉降歷時曲線趨勢表明，雖有輕微的沉降變形，但總體沉降量較小，近幾年的變形基本穩(wěn)定。渠坡相關部位地質(zhì)巡視未發(fā)現(xiàn)變形跡象。

三是地裂縫鄰近的地表監(jiān)測點初期有下沉趨勢?？偢汕ㄋ笊仙厔菝黠@，后期下沉，走向不定。

四是地下水位監(jiān)測表明，總體呈下降趨勢。

五是監(jiān)測成果結合地表巡視表明，3 處毗鄰采空區(qū)的渠段，地表和巖土體的變形總體穩(wěn)定。地裂縫局部存在較小的變形現(xiàn)象。對于地裂縫的監(jiān)測，建議仍作為下一步觀測的重點。

5.2 建議

后期聯(lián)合科研單位，建立GIS模型，整合DEM數(shù)據(jù)，疊加航片和變形監(jiān)測點，生成工程數(shù)字孿生模型，采用現(xiàn)代數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行分析整理，利用最大位移和位移速率兩種方法，分析采空區(qū)變形規(guī)律及穩(wěn)定條件，并開發(fā)預測分析處理系統(tǒng)。